今天我们来聊聊InP(磷参杂)光电子芯片的制作工艺。(本文的插图大部分来自文献1,文献1比较详细地介绍了InP体系光芯片)我们知道,在硅光芯片是从SOI晶片开始,对其中220nm厚的Si层进行刻蚀形成波导。不同于硅光芯片,InP芯片的波导层是后续外延生长出来的。通常外延生长分为三步:第一步生长有源层(active layer),即图中的红色区域;虽然这几个步骤听起来没有什么,但是如何控制好外延生长工艺,使得生长出的波导损耗低、射频工作性能好,这些都是很有学问的。另外有源层的生长具有一定的灵活性,可生长不同配比的InGaAsP或者AlGaInAs, 对应不同的工作波长需要。
外延生长好所需的材料之后,通过干刻的方法,制备出不同类型的波导。根据刻蚀的深度,可以分为:1)深刻蚀,即刻蚀到沉底,即下图中的deep etched waveguide ;2)浅刻蚀,即下图中的shallow etched waveguide, 该类型的波导损耗较小;3) 刻蚀到波导层上方的cladding层,后续可用于制作偏振旋转器件,也可以用于电隔离。InP体系的波导大都为脊形波导,这些波导结合上一步中外延生长的有源层,就可以制备成光放大器、调制器、探测器等有源器件。由于前一步的波导刻蚀, 这些波导如同一个个小楼房,楼房之间是空隙,我们需要在这些空隙中填充材料,使得整体结构稳定。填充好之后还需对表面进行平整化处理,这一点和硅光芯片是类似的。在平整化后的表面生长电极,用于有源器件的外部信号输入。整个制备过程可以类比成砌砖盖房子,不同于传统意义的盖房子,而是先把砖头一层层堆好(外延生长),然后掏出部分砖头,形成房间(波导刻蚀),最后安装玻璃水电,内部装修等(表面平整化和金属互联)。目前提供InP光芯片MPW(Multi Project Wafer,多项目晶圆)服务的fab主要有Smart photonics, HHI和Oclaro。不同流片厂的工艺略有差别,制备出的器件性能也各有特色。下表对比了这几个fab的工艺水平,InP光芯片的基本单元包括无源器件与有源器件,主要包括:波导的传输损耗是2-3dB/cm, HHI平台的损耗可降到1dB/cm以下。浅刻蚀波导的弯曲半径为500um, 深刻蚀波导的弯曲半径可以降至10um左右。2) 模斑转换器(spot size converter) 如下图所示,这种竖直方向做成taper的耦合器,在硅光里是很难制备的,而在InP体系可以较为方便地加工出来。如下图所示,波导侧壁加工成斜楔形,光场经过该结构时,偏振方向旋转90度,类似于半波片。光放大器和探测器的结构非常相似,区别在于波导刻蚀的深度和PN结所施加电压的方向。光探测器需工作在反偏状态。
主要利用反偏电压时载流子耗尽带来的折射率变化这一效应,对相位进行调制。以这些单元为基础,就可以构建更复杂的器件,比如光放大器结合光栅,就可以制备成激光器。文献(2)中给出了InP平台的器件库,器件非常丰富,可以实现多种功能,可以对光的强度、相位和偏振这三个参数进行调控。InP体系的最大优势是可以单片集成所有功能器件,包括硅光无法直接实现的激光器,而且各个器件的性能都和硅光相当。美国Infinera公司在06年就展示了40路1.6Tb/s的InP芯片,性能十分强大。该公司还在2010年实现了单片集成450个功能元件。而目前硅光所能单片集成的器件还没有这么多。我们总是说InP体系成本高,但是成本不该是唯一需要考虑的问题。新事物取代旧事物,往往是性能有很大的提升,或者拥有旧事物无法实现的功能。那么InP与硅光的比较,不能简单地从成本的角度看问题。另外一点,InP光芯片加工起来比较复杂,步骤较多,这一点和集成电路有点相似,我们只需在逻辑层进行相关地fabless设计,而由流片厂负责加所设计的光路在物理上实现。1. M. Smit, et.al., An introduction to InP-based generic integration technolog,Semicond. Sci. Technol. 29, 083001(2014) 2. M. Smit, et.al., Moore’s law in photonics, Laser & Photon Rev. 6,1(2012)3. https://7pennies.com/downloads/FAB_overview_Amit_Khanna.pdf
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